萃取膜生物反应器去除地下水硝酸盐研究
地下水浊度低、水量丰富、容易获取，在世界上许多地方，地下水都是一个重要的饮用水水源。在我国，特别是我国农村地区更是直接将其作为饮用水。然而，目前地下水水质普遍受到了不同程度的硝酸盐污染，而且近几年地下水中硝酸盐的浓度呈上升趋势。如何经济有效的去除地下水中的硝酸盐，是非常有意义的课题研究。近十几年来有许多学者对此进行了认真的研究，提出了许多有价值的地下水硝酸盐去除方法，如化学催化还原、生物转盘、连续流隔离膜生物反应器和管式膜生物反应器等。然而由于问题的复杂性，所提出的处理方法要么处理水中含有有害的副产物，要么硝酸盐去除不具选择性，要么在处理过程中处理水受到生物体的污染，要么其膜比表面积小、容积负荷小，难以应用于实际。本课题在综合分析现有地下水硝酸盐去除技术的基础上，从消除产生有害副产物、选择性去除硝酸盐、产品水与反硝化区分离、提高硝酸盐扩散速率、增大膜比表面积等方面考虑，采用一种新型工艺一中空纤维膜萃取膜生物反应器用于去除地下水硝酸盐，克服了中空纤维膜内的阻塞问题，并对该反应器的反硝化性能进行了较深入的试验研究。本研究以已醇为碳源，主要进行了碳氮比对萃取膜生物反应器反硝化效果的影响试验、进水硝态氮负荷在不同进水硝态氮浓度时对萃取膜生物反应器反硝化效果的影响试验以及已醇投加浓度对萃取膜生物反应器反硝化效果的影响试验等。主要结论如下。
(1)本试验中，硝态氮去除速率达到了6.32g/(m<'2>>·d)，膜组件出水硝态氮浓度满足饮用水卫生标准(≤10mg/L)的硝态氮去除速率达到了3.9g/(m<'2>·d)。有效防止了中空纤维膜因微生物繁殖而引起的阻塞问题。
(2)碳氮比对萃取膜生物反应器膜组件出水的硝态氮浓度有明显影响。提高碳氮比，可相应提高反应器内的已醇浓度，增加硝态氮反硝化速率，降低硝态氮浓度。但碳源不足时可引起亚硝态氮积累。
(3)萃取膜生物反应器的生物阻隔作用受反应器内的已醇浓度及膜组件出
水中的硝酸盐浓度两者的影响。膜组件出水中的已醇浓度随反应器内的已醇浓度提高而增加，随膜组件出水中的硝酸盐浓度增加而减小。实际运行时膜组件出水硝态氮浓度不宜过低，在满足饮用水水质卫生标准的前提下出水中应保持一定的硝态氮浓度，以有效阻隔已醇等进入到出水中，简化后续处理。
(4)已醇投加浓度对萃取膜生物反应器的反硝化效果具有一定影响。通过提高已醇投加浓度可有效提高反应器内的已醇浓度、加快反硝化速率；或者保持相同的反应器内已醇浓度(反硝化效果相同)，提高已醇投加浓度可适当降低碳氮比。实际运行时宜采用较高的已醇投加浓度，可节省碳源投加量、降低成本。
(5)在碳氮比一定的条件下，随进水硝态氮负荷增加，反应器内已醇浓度增大、硝态氮去除速率增加(但增加速率降低)、膜组件出水硝态氮浓度增大。
(6)在相同的进水硝态氮负荷条件下，高进水浓度比低进水浓度具有较快的反硝化速率及较低的出水硝态氮浓度，高进水浓度时可采用较高的进水负荷。
本课题的主要创新之处有以下几点。
(1)克服了中空纤维膜内的阻塞问题通过对待处理水预处理，有效地防止了中空纤维膜因微生物繁殖而引起的阻塞，在两年多的试验中运行一直正常。由于中空纤维膜直径较小，反应器内可达到很高的膜比表面积，可具有很高的硝酸盐去除速率，易于装置化，具有较高的实际应用价值，中空纤维膜阻塞问题的克服，解决了中空纤维膜萃取膜生物反应器实际应用于地下水硝酸盐去除的技术难题。
(2)发现了碳源投加浓度影响萃取膜生物反应器内碳源浓度碳源投加浓度提高会使得碳源的投加流量降低，因而排出反应器的碳源量减少、反应器内的碳源浓度增加。相同的碳氮比，增加碳源投加浓度，可有效提高反应器内的碳源浓度、加快萃取膜生物反应器的反硝化速率；或者保持相同的反应器内碳源浓度(反硝化效果相同)，提高碳源投加浓度可适当降低碳氮比，可节省碳源投加量、降低成本。
(3)找出了萃取膜生物反应器阻隔碳源进入产品水的基本规律萃取膜生物反应器的生物阻隔作用受反应器内的已醇浓度及膜组件出水中的硝酸盐浓度两者的影响，膜组件出水中的已醇浓度随反应器内的已醇浓度提高而增加，随膜组件出水中的硝酸盐浓度增加而减小。实际运行时膜组件出水硝态氮浓度不宜过低，在满足饮用水水质卫生标准的前提下出水中应保持一定的硝态氮浓度，以有效阻隔已醇等进入到出水中，简化后续处理。
萃取膜生物反应器;中空纤维膜;地下水硝酸盐;生物反硝化;饮用水处理
中国海洋大学
博士
环境工程
郑西来
2006
中文
X703;TQ051.83
103
2007-08-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）